ДонНТУ   Портал магістрів

Ульянов Олександр Євгенійович

Німецький Технічний Факультет

Кафедра Системи програмного управління і мехатроніки

Спеціальність Мікропроцесорні системи управління поновлюваними джерелами енергії

Дослідження систем приводу електромобілями

Науковий керівник: проф. Калашников Віктор Іванович

Резюме Біографія Реферат

Дослідження систем приводу електромобілями

Содержание

• Вступ
• 1.Актуальність теми
• 2.Мета і завдання дослідження
• 3.Обзор работы
• 3.1.Анализ развития электромобиля
• 3.2.Аналіз компонентів електромобіля
• 3.3.Кінематика електромобіля
• 3.4.Моделювання системи електроприводу
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Автомобільний транспорт в даний час, безумовно, є невід'ємною частиною життя населення. Він є найбільш зручним, досить швидким і найпоширенішим способом пересування. І більш того, він є найбільш затребуваним транспортом практично у всіх сферах. Існує і ряд недоліків цього транспорту– нанесення високого екологічного збитку навколишньому середовищу. Забруднення навколишнього середовища цим видом транспорту відбувається на всіх стадіях його виробництва, в процесі експлуатації, при переробці як самих автомобілів, так і палива, масел і т. Д. У процесі ж самої експлуатації відбувається викидання в атмосферу великої кількості газів, оксидів азоту і сірки , які, в свою чергу, згубно позначаються на навколишньому середовищу. Автомобілі виробляють до 70% шкідливих викидів в атмосферу. В середньому щороку викиди забруднюючих речовин в екосфери від транспортних засобів збільшуються на 3,1%. Важливим фактором є і висока витратність автомобілів, що працюють на бензині. Наявність всіх цих недоліків привело до необхідності створення та вдосконалення нових автомобілів, які в першу чергу будуть більш екологічно безпечними і менш витратними. Останнім часом все частіше заходить мова про електромобілі, які, можливо, в недалекому майбутньому прийдуть на зміну автомобілям з двигуном внутрішнього згоряння. Електромобілем називається такий транспортний засіб, який приводить себе в рух не двигуном внутрішнього згоряння, а електродвигуном. Заряджається він як від акумуляторів, так і від домашньої мережі. Більш того, в електромобілях відсутня коробка передач, внаслідок приєднання вала безпосередньо до коліс. [1]

1.Актуальність теми

Електропривод є важливою частиною електромобіля, тому аналіз систем приводу електромобіля і його подальше моделювання є важливими критеріями для майбутнього вибору компонентів системи і застосування до них подальших систем керування транспортним засобом.

2.Мета і завдання дослідження

Мета роботи – аналіз систем електроприводу, моделювання системи приводу електромобіля в Matlab Simulink, складання прогнозу про майбутнє приводу електромобіля, отримання реферативної інформації. У даній роботі будуть розглянуті системи електроприводу на синхронному і асинхронному двигуні.

3.Обзор работы

3.1.Аналіз розвитку електромобіля

Автомобілі на сьогоднішній день є одним з популярних і комфортних варіантів переміщення. Однак, незважаючи на величезну кількість переваг, вони мають цілий ряд недоліків. Один з найголовніших недоліків полягає в тому, що автотранспорт завдає великої шкоди навколишньому середовищу. Також бензинові автомобілі є досить дорогим видом транспорту. Останнім часом нафтопродукти стрімко дорожчають. Ці факти призвели до того, що розвинені країни стали розробляти і випускати менше марнотратні і більш екологічні автомобілі. [2]

У зв'язку із зростанням кількості особистого автотранспорту смог над великими містами став прикметою часу. Автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння виробляють багато шуму, багато диму. Часто спостерігаються пробки на дорогах, в цих пробках тривалий час простоюють автомобілі, отруюючи довкілля не менш ніж при нормальному режимі їзди, але при цьому пересуваючись зі швидкістю пішохода. В автомобільному вихлопі міститься велика кількість шкідливих речовин, але більшість з них впливають на екологію локально– в місці викиду, отруюючи самого водія і його оточення. Також при спалюванні палива виділяється велика кількість парникових газів, які є однією з причин глобального потепління. Автотранспорт створює в великих містах великі зони з часткою забруднення повітря в 70 – 90%. Одним із шляхів вирішення проблеми внутрішньоміського транспорту є впровадження електромобілів. Багато порівняльні характеристики екологічної ефективності показують явну перевагу електромобілів перед іншими видами автотранспорту. Для внутрішньоміського автотранспорту найближчим часом немає більш екологічно чистою і недорогий альтернативи електромобілів. [3]

Історія електромобілів становить близько 180 років. З цього випливає, що перші електромобілі з'явилися майже на 50 років раніше першого автомобіля c двигуном внутенних згоряння. Поштовхом до їх розвитку послужило відкриття Фарадеем явища електромагнітної індукції, після чого інженери і винахідники почали шукати шляхи його практичного застосування. Всі електромобілі того часу мали велику вагу, пересувалися зі швидкістю не більше 4 км / год і були не зовсім придатні до практичного застосування. Розвиток електромобілів стримувало відсутність порівняно невеликих і заряджають акумуляторів.

Автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння в той час видавали сильний шум, пахли маслом і мазутом, їх потрібно було заводити вручну, але вони теж продовжували модернізуватися і все–таки поступово витіснили електромобілі. Це сталося через–за того, що відкриття багатих нафтових родовищ спричинило за собою виробництво дешевого бензину. Також розвиток автомобільних доріг дозволяло здійснювати далекі подорожі, а електромобілі були не здатні їздити на далекі відстані на одній зарядці акумулятора. Так до 30–х років 20 століття електромобілі перестали випускатися серійно.

Інтерес до електромобілів відновився в 60–ті роки 20 століття з–за подорожчання вартості палива. Поступово стали створюватися різні види електромобілів, але відсоток їх використання населенням Землі був як і раніше невисокий.

У 90-х роках 20–го століття в США і в ряді інших розвинених країн видаються закони, згідно з якими кілька відсотків продаваних автомобілів в країні не повинні виробляти вихлопів. І авто-виробники знову зацікавилися виробництвом електромобілів. Досягнення в галузі створення надійного частотнорегульованого електропривода змінного струму з мікропроцесорним управлінням послужили основою створення сучасних систем приводу електромобілями.

Головна якість електромобіля – це зниження ступеня забруднення навколишнього середовища. Реальна динаміка цін на електромобілі, навіть при різкому здешевленні акумуляторних батарей, буде визначатися і виробничими можливостями компаній– виготовлювачів електромобілів, і державною політикою щодо отримання субсидій придбання екологічно чистих автомобілів, і реальним попитом на електромобілі. Однак в разі, якщо наведений прогноз по рівню ціни на акумуляторні батареї виявиться реалістичним, то ціновий бар'єр, що перешкоджає в даний час виникнення масового попиту на електромобілі, може бути практично ліквідовано. Відносно питомих енергетичних показників акумуляторних батарей, що визначають запас ходу і динаміку розгону, за останні кілька років стався значний прогрес. [4]

3.2.Аналіз компонентів електромобіля

Навіть якщо це не обов'язково видно ззовні, електромобілі мають зовсім іншу структуру приводу завдяки специфічним характеристикам електродвигуна на відміну від транспортних засобів з двигунами внутрішнього згоряння.

В першу чергу, акумулятор– джерело енергії електромобіля. Від нього залежить область дії транспортного засобу, час, необхідний на заряджання. Зарядка даних батарей може здійснюється як від побутової мережі, так і на спеціальних станціях зарядки. Зарядка від побутової мережі називається повільної зарядкою і займає до 8 годин, зарядка на спеціальних станціях називається швидкої і триває до 30 хвилин. Існують стандартні електронні пристрої для заряду електромобілів, регульовані МЕК (Міжнародна електротехнічна комісія). На сьогоднішній день IEC 62196 виступає одним з основних міжнародних стандартів. Він визначає головні характеристики, включаючи види з'єднувачів (штепсельні вилки, мережеві розетки, входи харчування електрокара), режими підзарядки струмом, установки з'єднань та вимоги дотримання норм і правил безпеки. [5]

В даний час є багато стандартів зарядних пристроїв, несумісних один з одним. Можна виділити американський, європейський і китайський стандарти. На малюнку 2 приведені основні стандарти зарядки електромобіля в Європі, США і Китаї.

Виділяють наступні типи акумуляторів:

  
1. Літій–іонні батареї – основний тип акумуляторів, які використовуються для установки в електромобілях.   Домінування технології виробництва літій–іонних батарей збережеться ще кілька років, оскільки багато виробників електромобілів стали інвестувати   саме в розвиток літій–іонних акумуляторів. Основною перевагою батарей даного типу для виробників є число циклів заряду/розряду батареї. Розвиток технологій в   виробництві літій–іонних батарей в найближчі роки пов'язують з підвищенням енергетичної щільності, тобто кількості енергії на одиницю маси акумулятора, і забезпеченням безпечного використання батарей,   які при перегріванні можуть загорятися або вибухати, як це відбувається з деякими мобільними пристроями.
  
2. Алюміній–іонні батареї – застосування алюмінію при виробництві акумуляторів дозволяє підвищити безпеку експлуатації батареї і знизити її собівартість Однак дослідження в даному напрямку знаходяться поки на початковому рівні і вимагають серйозних інвестицій.
3. Літій–сірчані акумулятори – в теорії літій–сірчані батареї володіють більшою енергетичною щільністю, ніж літій–іонні акумулятори.  Але їх використання в електромобілях обмежується малим числом циклів заряду/розряду  що неприйнятно для виробників електромобілів.[6]

В автомобілебудуванні застосовують двигуни, що працюють від електричної енергії. Вони відрізняються від двигунів внутрішнього згоряння: мають специфічні характеристики і функції. Двигун для електромобіля може функціонувати самостійно або паралельно з двигуном внутрішнього згоряння. Також такі мотори бувають двох видів: синхронні і несинхронні. При русі на нейтральній передачі акумулятор електромобіля заряджається. Коефіцієнт корисної дії двигуна, що працює на електриці, наближається до 90%, тобто практично весь обсяг виділеної енергії йде на рух. Електродвигун можна визначити, як перетворювач одного виду енергії в інший, зокрема, електричної в механічну з тепловим випромінюванням. [7]

Хоча сучасні електромобілі мало відрізняються від своїх конкурентів з двигуном внутрішнього згоряння, вони мають зовсім іншу структуру приводу завдяки специфічним характеристикам електродвигуна. В даний час використовуються як асинхронні і синхронні двигуни з постійними магнітами і досить складно зробити точний припущення який тип двигуна буде переважати у майбутньому.

До головних особливостей електричного двигуна електромобіля відноситься кілька важливих характеристик:

  
1. Обертаючий момент мотора досягає свого максимуму відразу при включенні, таким чином, електромобілі не вимагають наявності характерних для ДВС стартерів і зчеплень.
  
2. Робота агрегату на великому числі оборотів дозволяє електромобілю обходитися без коробки перемикання передач. Для зміни напряму обертання двигуна досить поміняти полярності.

  

Очевидно, що стартувати на електромобілі з усього потенціалу обертаючого моменту, який набагато могутніше багатьох автомобілів з ДВС, ніхто не буде. Щонайменше, це небезпечно, і що важливо це тягне за собою неефективну витрату заряду батарей. Тому традиційно електродвигуни повинні відповідати наступним вимогам:

  
• мати безпечну і зручну для експлуатації будову;
  
• мати гарантію тривалої експлуатації;
  
• мати компактні габарити.

У сучасних автомобілях з електричною тягою серійного виробництва найбільш часто використовують наступні типи електричних двигунів.

Асинхронні двигуни – мотори змінного струму, в яких швидкість обертання ротора відрізняється від потенціалом напруги магнітного поля, створеним джерелом живлення. Розрізняють одно–, дво– і трифазні агрегати асинхронного типу.

Синхронні двигуни – електромотор, що працює на змінному струмі, з рухом ротора повністю симетричним електромагнітному полю. Подібні електродвигуни використовують при підвищених потужностях. Розрізняють крокові і вентильні синхронні електродвигуни. Для перших характерно точне розташування ротора з подачею живлення на конкретну обмотку, а щоб змінити положення ротора, напругу між обмотками необхідно перенаправити.

Двигун–колесо – тип електромотора сила напруги і крутний момент якого розрахований на конкретне колесо. Даний тип електроприводу часто використовується в плагін–гібридних автомобілях в робочому тандемі з двигуном внутрішнього згоряння.

Що стосується регулювань управління електродвигуном, то за перетворення постійного струму від акумуляторних батарей в трифазний змінний – відповідає інвертор. Трансмісія – виконує роль зчеплення і коробки передач, часто представлена одноступінчастим зубчастим редуктором. Інші параметри роботи електродвигуна регулюють електронна система управління, яка індивідуальна для кожної марки електрокара або гібрида. [8]

3.3.Кінематика електромобіля

На автомобіль діють різні сили і впливають на поведінку електроприводу. Серед цих сил виділяють аеродинамічний опір F_l, частини вагових сил F _gF і F _gR,діючі в напрямку руху, контактна сила між колесом і землею в напрямку руху F_x і опір кочення, яке спрощується як момент T_r у точці контакту з колесом.

Динаміка транспортного засобу зводиться до наступних рівнянь:

F_Rx – сила взаємодії між колесом і шасі в напрямку руху, T_a – крутний момент, діючий на колесо. Модель спрощується, якщо припустити, що всі провідні колеса поводяться однаково. Вони підсумовуються тільки в загальних рисах з повною інерцією обертання. У разі необхідності, можна подумати про інших обертових компонентах (валах, передачах) приводів. На додаток до динамічним рівнянням необхідно враховувати кінематичні рівняння. Автомобіль і колесо рухаються з однаковою швидкістю, тому

Таким чином, можна перетворити два поступальних динамічних рівняння

Момент, що обертає і крутний момент опору тертя кочення можуть бути перетворені на відповідні уявні сили:

Це призводить до системи рівнянь

Резюме Біографія